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1、LonWorks 现场总线技术,第8章 LON和LonWorks现场总线技术,8.1 总体概述 8.2 LonTalk协议,LonWorks总线是一种基于嵌入式神经元芯片的现场总线技术，具有强大的实力。 广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、运输设备、工业过程控制等领域，具有极大的潜力。低成本和高性能是该总线的最大优势。 LonWorks总线是美国埃施朗Echelon公司开发研制的，并在Motorola和TOSHIBA等公司共同协作倡导下，于1990年正式公布形成的。,局部操作网络LonWorks,图 LonWorks总线的通信模型,8.1 总体概述,1.LonWorks技术特
2、点 （1）支持OSI七层模型的LonTalk通信协议 （2）神经元芯片 （3）基于LNS的软件工具 （LonWorks Network Operating System） （4）开放性,（1）支持OSI七层模型的LonTalk通信协议 LonTalk通信协议支持OSIRM的所有七层模型，是直接面向对象的网络协议。 LonTalk协议通过神经元芯片实现，不仅提供介质存取、事务确认和点对点通信服务；还提供一些如认证、优先级传输、广播组播消息等高级服务。,LonWorks Devices,（2）神经元芯片 神经元芯片是LonWorks技术的核心，它不仅是LON总线的通信处理器，而且是具有I/O和控制
3、的通用处理器。神经元芯片已提供了LonTalk协议的第1-6层，开发者只需用Neuron C语言开发。 神经元芯片包括3个8位CPU、RAM、ROM、通信接口和I/O接口；ROM中存储操作系统、LonTalk协议和I/O函数库；RAM用于存储从网络上下载的配置数据和应用程序。,芯片上集成有三个8位CPU： 介质访问处理器； 网络处理器； 应用处理器。 网络处理器和介质访问处理器通过存储区中的网络缓存区进行通信，并且网络处理器通过应用缓存区与应用处理器通信。,（3）基于LNS的软件工具 （LonWorks Network Operating System） LonWorks技术有多种基于LNS的
4、工具，用于LON网络的维护和组态。 LonMaker是图形化工具，用于图形绘制、系统调试和网络的维修保养； 节点开发工具NodeBuilder； 节点和网络安装工具LonBilder； 网络管理工具LonManage以及客户服务器网络构架LNS技术。,（4）开放性 LonWorks技术提供了开放系统设计平台，使不同公司生产的同类LonWorks产品可以互操互换。 LonWorks产品的互操作标准由LonMark协会制定。 LonWorks通信速率为78kbit/s和1.25Mbit/s，对应的传输距离分别为2700m和130m，节点数为32000个，传输介质为双绞线、同轴电缆、光缆和电源线等。
5、支持多种拓扑结构，如总线形、星形、环形、自由形式和混合形式，组网方式方便、灵活。 LonWorks的信号传输采用可变长帧结构，每帧的有效字节为30288个。,2.LON总线系统的开发 基于开发工具LonBuilder或NodeBuilder，使用Neuron C语言编程，即针对具体控制系统的要求编写应用代码，然后经过编译与通信协议代码连接生成总的目标代码，一起烧录到节点的存储器中； 基于图形方式的软件开发工具Visual Control，通过组态构成控制系统，自动编译生成总的目标代码，直接下载到节点的Flash ROM中。 对复杂系统，需编制自定义模块。,8.2 LonTalk协议,1.Lon
6、Talk七层协议 LonTalk协议是LON总线的专用协议，是LonWorks技术的核心。它符合1SO/OSI参考模型的七层体系结构，即含有物理层、链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。,LonTalk协议提供一系列通信服务，可使一台设备的应用程序可以在不了解网络拓扑、名称、地址或其它设备功能的情况下发送和接收网络上其它设备的报文。 还提供端到端的报文确认，报文认证、打包业务和优先传送服务，支持网络管理服务，允许远程网络管理工具与网络设备进行交互。,采用神经元芯片的网络节点含有LonTalk协议固件，使网络节点可以可靠地通信。 网络节点是相互独立的，任一节点发生故障时，不影响整个网络
7、工作，提高了系统的可靠性和可维护性。 各节点具有本地存储和处理能力，系统的安全性很高，能在系统规模大时避免网络通信的冲突和网络速度的局限性。,（1）物理层：定义通信信道上位流的传输，它确保源设备发送的位流准确地被目的设备接收。 （2）数据链路层：定义介质访问方法和单一信道的数据编码。 （3）网络层：定义设备名称和地址，源设备的报文如何选择路由到达一台或多台目的设备，以及当源设备和目的设备不在同一信道上时，如何确定报文路由。,（4）传输层：确保可靠的报文传输。 （5）会话层：对较低层数据交换加以控制。 （6）表示层：定义报文数据的编码。 （7）应用层：定义一种低层交换数据的公共语义解释，使不同应
8、用程序中的网络变量改变时，均能自动将更新的网络变量值下传(发送)或上传(接收)。应用层还定义了一个文件传输协议，用来传输应用程序间的传输流。,2.LonTalk各层协议及功能 （1）物理层 LonTalk协议支持一种或多种不同传输介质构成网络 传输介质： 双绞线(twisted-pair)、 电力线(powerline)、 无线射频(radio-frequency)、 红外线（infrared）、 同轴电缆(coaxial cable) 光纤(fiber)， 用户自定义的通信介质。,不同介质的传输距离、传输速率、网络拓扑结构以及所使用的收发器均不相同，为支持各种传输介质，物理层协议支持多种通信
9、协议。 收发器是神经元芯片与信道的接口，LonTalk协议支持在通信介质上的硬件碰撞检测，可自动地将正在发生碰撞的报文取消，重新再发。,（2）链路层 为使数据帧传输独立于所采用的物理介质和介质访问的控制方法，将数据链路层分为两个子层： 逻辑链路控制LLC（Logical Link Control） 介质访问控制MAC。 LLC与介质无关，MAC则依赖于介质。,1）MAC子层,MAC协议是确定设备安全地传送数据包，减少冲突的控制算法。 MAC协议是CSMA（载波信号多路侦听）协议的改进： 带预测的P坚持CSMA (Predictive PPresistent CSMA)。 优先级带预测的P坚持C
10、SMA,LonWorks的MAC子层的优点：,支持多介质的通信，支持低速率的网络，可以在重负载的情况下保持网络性能，保证在过载情况下不会因为冲突而降低吞吐量。 当使用支持硬件冲突检测的传输介质(如双绞线)时，一旦收发器检测到冲突，LonTalk协议就可以有选择地取消报文的发送，这使节点可以马上重新发送并使冲突不再重发，有效地避免了碰撞。,2）链路层（逻辑链路控制） 链路层确保链路层数据单元（Link Protocol Data Unit，LPDU）的数据在子网内顺序无响应传输。 提供错误检测，但不提供错误恢复，当一帧数据CRC效验错，该帧被丢掉。,（3）网络层 在网络层，LonTalk协议提供
11、给用户一个简单的通信接口，定义了如何接收、发送、响应等，在网络管理上有网络地址分配、出错处理、网络认证、流量控制、路由器机制。 1）LonTalk协议的网络地址结构 2）寻址格式,1）LonTalk协议的网络地址结构 LonTalk地址唯一地确定一个LonTalk数据包的源节点或目标节点，路由器则利用这些地址在信道之间选择数据包的传输路径。 为了简化路由选择，LonTalk协议定义了分级的网络地址形式： 域(Domain) 子网(Subnet) 节点(Node)地址 组地址,域地址(domain)： 域是一个信道或多个信道上的节点的逻辑集合。一个域就是一个实际意义上的网络，通信只能在同一域中配
12、置的节点之间进行。 多个域可以占用同一个信道，所以，域地址可以用来隔离不同网络上的节点。域的结构可以保证在不同的域中通信是彼此独立的。 域标识符是唯一的。,子网地址(Subnet)： 一个子网是在同一域中节点的逻辑集合，是一个或多个通道的逻辑分组。 一个子网最多可有127个节点，一个域最多可有255个子网。 一种子网层的智能路由器产品可以实现子网间的数据交换。子网中的所有节点必须在同一信道上，如果一个节点属于两个域，该节点必须属于每个域中的一个子网。,节点地址（Node）： 节点地址是节点被赋予的所属子网内的唯一的节点标识码。 节点的标识码为7位，所以每个子网最多可以有127个节点。 一个域中
13、最多可以有32385个节点（255127）。任一节点可以分属一个或两个域，容许一个节点作为两个域之间的网关(gateway)，也容许一个节点将采集来的数据分别发向两个不同的域。, 地址(Group)： 组是一个域内节点的逻辑集合。与子网不同，组不需要考虑节点的物理位置。 组可以包括路由器，一个组可在一个域中跨越几个子网，或几个通道。每一个组对于需应答服务的节点最多可包含64个，而对无应答服务的节点个数不限，一个节点最多可以属于15个组，一个域最多可以有256个组。组地址的长度为1个字节。 分组结构可以使一个报文同时为多个节点所接收。,芯片地址(Neuron ID)： 每一个神经元芯片有一个独一
14、无二的48位ID地址，这个ID地址是在神经元芯片出厂时由厂方规定的，这个ID码是唯一的。一般只在网络安装和配置时使用，可以作为产品的序列号。 节点也可以用Neuron ID寻址。,2）寻址格式 一个通道是指在物理上能独立发送报文(不需要转发)的一段介质。 LonTalk规定一个通道至多有32385个节点。通道并不影响网络的地址结构，域、子网和分组都可以跨越多个通道，一个网络可以由一个或多个通道组成。通道之间是通过桥接器(bridge)来连接的。这样做不仅可以实现多介质在同一网络上的连接，而且可以使一个通道的网络信道不致过于拥挤。,（4） LonTalk协议的传输层和会话层 LonTalk协议的
15、核心部分是传输层和会话层。 一个传输控制子层管理报文执行的顺序、报文的二次检测。传输层是无连接的，它提供1对1节点、1对多节点的可靠传输。信息认证(authentication)也是在这一层实现的。 会话层主要提供了请求/响应的机制，它通过节点的连接，来进行远程数据服务(remote servers)，因此使用该机制可以遥控实现远端节点的过程建立。LonTalk协议的网络功能虽然是在应用层来完成的，但实际上也是由提供会话层的请求应答机制来完成的。,LonTalk协议提供四种类型的报文服务： 应答方式(acknowledge) 请求响应方式(request/response) 非应答重发方式(u
16、nacknowledged repeated) 非应答方式(unacknowledged) 这些报文服务除请求响应是在会话层实现外，其他三种都在传输层实现。,（5） LonTalk协议的表示层和应用层 LonTalk协议采用面向数据的应用协议。 在这种方式下，节点间以标准工程单位或其它预定义的单位交换诸如温度、压力、状态和文字串等应用数据，而命令语句封装在接收节点的应用程序中且不是将命令在网上传送。 以这种方式，同一工程量可送到多个节点，然而每个节点对该数据有不同的应用程序。,LonTalk协议的表示层和应用层提供五类服务： 1)网络变量的服务 2)显示报文的服务 3)网络管理的服务 4)网络
17、跟踪的服务 5)外来帧传输的服务,3. LonTalk协议使用中注意的问题 （1） LonTalk协议的网络认证 （2） LonTalk协议的网络接口协议 （3） LonTalk协议中的定时器 （4） 网络效率,（1）LonTalk协议的网络认证 LonTalk协议支持报文认证，即允许报文的接收者确定报文的发送方是否有权发送。它用于防止未授权节点介入应用。,（2） LonTalk协议的网络接口协议 LonTalk协议包含一个可选择的网络接口协议，该协议支持在任一主处理器上运行的LonWorks应用程序。主处理器可以是微处理器、微控制器或PC机。主处理器管理LonTalk协议的第6和7层，并且使
18、用LonTalk网络接口管理协议的15层。LonTalk网络接口定义网络接口和主处理器之间的数据交换格式。,（3） LonTalk协议中的定时器 在使用LonTalk协议服务之前，需正确设置以下几个定时器： 事务定时器(Tramsaction Timer) 重发定时器(Repeat Timer) 组接收定时器(Group Receive Timer) 非组接收定时器（Non-Group Receive Timer） 缓冲器释放定时器(Free Buffer Wait Timer),（4）网络效率 网络的响应时间、安全性和可靠性是相互关联的。 例如，应答服务方式是最可靠的，但它与非应答方式和非应答重发方式相比需要较大的网络带宽；对具有优先权的报文实时发送，对其它报文的发送是不利的；使用报文认证服务可使安全性增加，但要传送的报文数量将是无报文认证服务的两倍。,第8章 复习题 1.LonWorks技术的特点是什么？ 2.LonTalk协议包含几层协议？每层的功能是什么？ 3.LonTalk协议的网络地址形式有几种？ 4.LonTalk协议使用中注意的问题有哪些？ 5.LonTalk协议的表示层和应用层提供哪几类服务？,